Controlled dynamics of quantum systems strongly coupled with nanostructures

Abstract

A relatively new area of active research combining quantum optics, nanophotonics, and quantum technology deals with studying the optical properties of complex photonic structures containing quantum systems, such as semiconductor quantum dots, and plasmonic nanostructures. The present Ph.D. thesis falls into this research field and presents a theoretical and computational study of the optically controlled dynamics of semiconducting quantum dots strongly coupled to plasmonic nanostructures. In particular, we study the controlled population transfer in exciton and biexciton states in semiconductor quantum dots under the influence of a plasmonic nanostructure, using both conventional and new quantum control methods, such as analytically derived pulses of specific shape, application of the rapid adiabatic passage method (application of chirped pulses), application of methods based on shortcuts to adiabaticity, and application of specifically designed on-off pulses. In order to study the coherent interaction of electromagnetic fields with the coupled quantum-plasmonic nanostructures we combine quantum dynamics calculations with electromagnetic calculations and solve the relevant density matrix equations. The results of the PhD thesis can be used for implementing both fast optical switches and sensitive sensors at the nanoscale, but also for fundamental problems of quantum technology, such as the controlled dynamics of quantum bits and the generation of entangled or single photons.

Ένας σχετικά νέος τομέας ενεργής έρευνας που συνδυάζει την κβαντική οπτική, τη νανοφωτονική και την κβαντική τεχνολογία ασχολείται με τη μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων πολύπλοκων φωτονικών δομών που περιέχουν κβαντικά συστήματα, όπως είναι οι κβαντικές τελείες ημιαγωγών και οι πλασμονικές νανοδομές. Η παρούσα διδακτορική διατριβή εμπίπτει σε αυτό το ερευνητικό πεδίο και παρουσιάζει μια θεωρητική και υπολογιστική μελέτη της οπτικά ελεγχόμενης δυναμικής ημιαγώγιμων κβαντικών τελειών ισχυρά συνδεδεμένων με πλασμονικές νανοδομές. Συγκεκριμένα, μελετάται η ελεγχόμενη μεταφορά πληθυσμών σε καταστάσεις εξιτονίων και δι-εξιτονίων σε ημιαγωγικές κβαντικές τελείες υπό την επίδραση μιας πλασμονικής νανοδομής, χρησιμοποιώντας τόσο συμβατικές όσο και νέες μεθόδους κβαντικού ελέγχου, όπως είναι η χρήση αναλυτικά παραγόμενων παλμών συγκεκριμένου σχήματος, εφαρμογή της μεθόδου ταχείας αδιαβατικής μεταφοράς (εφαρμογή παλμών chirped), εφαρμογή μεθόδων που βασίζονται σε συντομεύσεις της αδιαβατικότητας και εφαρμογή ειδικά σχεδιασμένων παλμών on-off. Προκειμένου να μελετήσουμε τη συνεκτική αλληλεπίδραση των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων με τις συζευγμένες κβαντικές-πλασμονικές νανοδομές συνδυάζουμε υπολογισμούς κβαντικής δυναμικής με ηλεκτρομαγνητικούς υπολογισμούς και επιλύουμε τις σχετικές εξισώσεις πινάκων πυκνότητας. Τα αποτελέσματα της διδακτορικής διατριβής μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο για την υλοποίηση γρήγορων οπτικών διακοπτών και ευαίσθητων αισθητήρων στη νανοκλίμακα, όσο και για θεμελιώδη προβλήματα της κβαντικής τεχνολογίας, όπως είναι η ελεγχόμενη δυναμική των κβαντικών bits και η παραγωγή περιπλεγμένων ή μεμονωμένων φωτονίων.